一种基于孔内地震波的超前预报方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及地质预报技术领域，尤其是一种基于孔内地震波的超前预报方法。
【背景技术】
[0002] 超前地质预报是在复杂的地质情况下，为防止工程安全事故发生，保证施工生产 安全的一口技术。它是根据隧道所在岩体的有关勘探资料、施工过程中采用的物理探测、地 质预测、钻孔探测等结果，运用相应的地质理论和灾害发生规律对运些资料进行分析、研 究，从而对施工掌子面前方岩体情况及成灾可能性做出预报，及时调整施工方法并采取相 应的技术措施，保证施工生产的安全。超前地质预报是隧道信息化的重要组成部分，是施工 阶段正常的工序。
[0003] 在隧道超前预报中，对设计勘察和物探法超前预报所提供的资料中围岩变化异常 段或富含水区域段，经常通过超前水平钻探进一步确定不良地质体的位置、宽度、富水情况 W及围岩等级等。运些钻孔经常"一孔之见"，很容易将孔旁地质体特别是溶桐漏报，因而一 般需要布置多孔钻探。一个超前钻井生产来之不易，浅则十余米，深则数十米，是否在钻孔 周围存在隐伏目标、是否需要再进行更多的钻孔，一直困扰着技术人员。
[0004] 目前国内外超前地质预报所采用的物探方法包括:地震波法、地质雷达、红外探 、电测法、核磁共震法等。各种物探技术在超前预报中发挥着重要作用，但当目标体距离 较远、深度太大时，物探对规模相对较小的对象勘探能力和分辨能力都受到局限，无论现场 采集和内业处理均或多或少受到各种人为干扰，所提供的物探预报成果经常受到质疑。
[0005] 利用超前钻孔，采用相应的物探方法，将钻孔周边一定范围内的地质情况进一步 查明，可探测孔旁未被钻探掲示的不良地质体，可扩大钻孔的探测半径，可获取更为准确的 围岩速度参数，提高超前钻孔的利用价值，规避施工安全，同时酌情可减少不必要钻探量。
[0006] 针对粧基持力层完整性和粧位岩溶勘察等只需定性判断离钻孔较近距离内是否 存在异常体的等应用领域，饶其荣、李学文提出管波探测法(专利号CN1245637C)，它W独特 的优越性在粧基持力层完整性和粧位岩溶勘察等方面发挥着重要作用。管波探测法的本质 是只利用孔内的斯通利波的波场形态变化对钻孔周边的地质情况进行定性判断的一种手 段，而没有对其它地震波信息加 W分析利用，它无法获取孔内各段地层的地震波速度值，更 无法根据纵波速度对地层进行准确的围岩分级巧810012-2007表4.3.2-4)，所得到的探测 结果只能作为定性分析，存在片面性，因此不能作为一个完整的超前预报手段。另外将管波 探测法应用于粧基持力层完整性和粧位岩溶勘察，运些均基于竖向有水钻孔，如何解决水 平无水钻孔的管波探测也是需要完善之处。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种借助水平超前预报钻孔、 在孔内开展综合地震波探测的基于孔内地震波的超前预报方法。
[000引本发明的目的是通过W下技术手段实现的：
[0009] -种基于孔内地震波的超前预报方法，其特征在于:包括W下步骤：
[0010] (1)、将孔内激发探头和接收探头保持合适的间距，然后用推送杆将两个探头同步 推至钻孔底部；
[0011] 间、用注水装置向孔内注满水，并用橡皮塞封住孔口，防止水流出，W保证孔内激 发的条件；
[0012] 间、采用孔内激发地震波和孔口激发地震波进行探测，该孔内激发地震波和孔口 激发地震波既可W分步进行探测，也可W同步进行探测；
[0013] (4)、数据处理解释及成果输出：
[0014] ①、通过对孔内地震波的产生条件和传播特性的分析，主要分析直达波、反射波， 对比分析不同类别岩体的传播特性，对钻孔周边地质体作出超前预报，主要分析钻孔周边 岩体的完整程度、破碎情况，W及是否存在未被钻孔掲示的异常体存在;进行地质分层；
[0015] ②、对孔口激发的地震波进行纵波提取，拾取纵波初至时间，根据时间拐点进行速 度分层，获取各层的准确纵波速度值；
[0016] ③、结合①和②的分层，对W上两个步骤的分层作合理的调整，并趋于一致；
[0017]④、超前预报成果报告的输出。
[0018] 而且，步骤间所述的孔内激发地震波和孔口激发地震波分步进行探测的步骤为：
[0019] ①、连接好激发探头、接收探头和数据采集系统，保持激发探头和接收探头间距固 定，用孔中激发探头激发，采用共偏移距观测系统从深至浅等间距采集地震波信号；
[0020] ②、将孔中接收探头再次用推送杆推入钻孔底部；
[0021] ③、采用大键作为震源，在孔口用共炮点激发地震波、从深至浅等间距移动孔中接 收探头采集地震波信号。
[0022] 而且，步骤间所述的孔内激发地震波和孔口激发地震波同步进行探测的步骤为：
[0023] ①、连接好激发探头、接收探头和数据采集系统，保持激发探头和接收探头间距固 定；
[0024] ②、采用大键作为震源，在孔口用共炮点激发地震波、从深至浅等间距移动孔中接 收探头采集地震波信号；同步用孔中激发探头激发、采集共偏移距地震波信号。
[0025] 而且，步骤(4)中所述的第①步为：
[0026] 孔内共偏移距地震波资料的解释包括两个步骤:A、确定分层界面;B、对分层进行 地质解释;其中确定分层界面的方法为:A-1、寻找直达波同相轴，根据直达波的能量和速度 的变化确定界面深度;A-2、根据反射波同相轴的视速度变化，根据反射同相轴视速度、能 量、频率变化确定界面深度;根据上述方法确定了分层界面后，根据当前隧道的地质情况并 结合已开挖验证段的超前预报成果确定分层界面之间岩体的类别及工程性质。
[0027] 而且，步骤(4)中所述的第②步为：
[002引A、识别纵波，一般为最先到达的地震波；
[0029] B、拾取纵波初至时间，即激发点到达接收点的纵波传播时间；
[0030] C、将初至时间换算为沿孔径方向垂直传播的时间，即垂直时间；
[0031] D、根据垂直时间的拐点进行分层，获取纵波速度化；
[0032] 一般由于激发点距孔口尚有一定距离，所W计算测段内地层波速时需将纵波的初 至时间校正为纵波垂直时间，计算公式如下：
[0033] t'=1:*h/sq;rt化 *h+x*x)
[0034] 式中：t'一纵波垂直旅行时间（S);
[00巧]t-初至波旅行时间（S);
[0036] h-测点孔深(m);
[0037] X-激发点距孔口的距离(m);
[0038] 各层纵波速度计算公式为：
[0039] 化 i = di/ti
[0040] 化i-计算深度范围内第i层的纵波波速(m/s);
[0041 ] di-计算深度范围内第i层的厚度(m);
[0042] ti-计算深度范围内第i层的时间差(S)。
[0043] 而且，步骤(4)中所述的第④步为:根据各层的岩体特征和速度，结合隧道开挖和钻 探情况，给出超前预报报告。
[0044] 本发明的优点和积极效果是：
[0045] 1.本发明中包含孔内激发地震波和孔口激发地震波两个部分。本发明孔内激发地 震波采用的观测方式为炮点和接收点均在孔内、保持固定间距、从深至浅等间距同步移动 逐点观测的共偏移距观测方式。探测点间距根据需要可调，一般5cm~50cm，具有非常高的 纵向探测精度。根据探测需求可选用不同自然频率的接收探头，一般低频探头探测距离远， 高频探头探测距离近。
[0046] 2.本发明孔口激发地震波采用的观测方式为孔口共炮点激发、孔内接收点从深至 浅逐点等间距移动观测的方式，探测点间距一般0.5m或Im,也可根据需要加密测试。
[0047] 3、本发明中接收探头可为单分量或=分量探头，一般单分量探头即可满足要求， 但=分量更利于异常的辨识。
[004引4、本发明中利用的地震波按传播方式分包含纵波(P波）、横波(S波）、管波(T波)等 (附图2);管波传播在离钻孔较近时能量强，离钻孔较远时纵波和横波能量相对较强；因而 近孔距主要利用管波，远孔距时主要利用纵横波。
[0049] 5、对于存在绕射波的溶桐，可通过时深转换较为准确的获取溶桐离钻孔的距离。
[0050] 6.本发明孔内共偏移距观测的综合地震波主要解决钻孔周边一定范围内的围岩 完整性和未被钻孔掲示的异常体情况，可有效扩大钻孔的探测半径，可减小由于钻头扰动 造成的岩忍取样误差，可W酌情减少钻孔数量。
[0051] 7.本发明孔口共炮点观测的地震波主要目的是获取准确的纵波速度值，可W用于 获取异常体离钻孔的距离，可W更为准确的对前方围岩进行级别划分，可W指导施工工法。
[0052] 8.本发明设备轻便、采集快捷、资料提交迅速，完全符合工程安全和进度的需求。
[0053] 9.本发明是一种新的超前预报手段，它能够借助孔内共偏移距地震记录的优点近 距离、直观准确的探测到孔径周边一定范围的构造异常、能够近距离获取围岩的岩体特征； 能够利用孔口共炮点激发的地震记录获取更为准确的纵波速度值;能够减少钻探容易漏报 的现象;能够获取比其它地震超前预报方法更准确的速度信息；能够更加准确地给出隧道 超前预报成果;预报成果为施工决策者决定是否增加钻孔数量、采用何种开挖方式提供有 力参考。
【附图说明】
[0054] 图1是孔内共偏移距采集数据示意图；
[0055] 图2是孔中激发产生的全波波场图；
[0056] 图3是地震波信号示意图；
[0057] 图4是孔内共偏移距地震波成果示意图；
[0058] 图5是孔口共炮点测试示意图；
[0059] 图6是孔口共炮点接收到的波形记录；
[0060] 图7是孔口共炮点得到的纵波速度分层。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不 是限定性的，不能W此限定本发明的保护范围。
[0062] -种基于孔内地震波的超前预报方法，包括W下步骤：
[0063] (1)、将孔内激发探头和接收探头保持合适的间距，然后用推送杆将两个探头同步 推至钻孔底部。本发明中接收探头可为单分量或=分量探头，一般单分量探头即可满足要 求，但=分量更利于异常的辨识。
[0064] 间、用注水装置向孔内注满水，并用橡皮塞封住孔口，防止水流出，W保证孔内激 发的条件。
[0065] 间、采用孔内激发地震波和孔口激发地震波进行探测，该孔内激发地震波和孔口 激发地震波既可W分步进行探测，也可W同步进行探测；
[0066] 其中，分步进行探测的步骤为：
[0067] ①、连接好激发探头、接收探头和数据采集系统，保持激发探头和接收探头间距固 定，用孔中激发探头激发，采用共偏移距观测系统从深至浅等间距采集地震波信号，探测点 间距根据需要可调，一般5cm~50cm;
[0068] ②、将孔中接收探头再次用推送杆推入钻孔底